DİKEY TİP İÇECEK SOĞUTUCUSUNUN PERFORMANSININ SAYISAL İNCELENMESİ

Transkript

1 DİKEY TİP İÇECEK SOĞUTUCUSUNUN PERFORMANSININ SAYISAL İNCELENMESİ Fazıl Erinç YAVUZ, Dursun ÇALIŞKAN, Esra ÖZCAN, Mehmet Akif EZAN, İsmail Hakkı TAVMAN Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Buca, İzmir E-posta: Özet: Günümüzde enerji verimliliği yüksek tasarımlara artan talep, firmaları enerji tüketimi düşük ürünler geliştirmeye yöneltmektedir. Bu amaçla bu çalışmada dikey tip bir içecek soğutucusunun performansının arttırılmasına yönelik çeşitli senaryolar sayısal olarak incelenmiştir. Ele alınan soğutucunun yüksüz durumuna ait iç akış ve sıcaklık davranışları ANSYS-FLUENT paket programıyla elde edilmiştir. Soğutucunun iç sıcaklık dağılımının iyileştirilmesi amacıyla evaporatör bölgesinde faz değişim malzemesi (FDM) kullanılmıştır. FDM uygulanmasının sistem performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Faz değişim malzemesi, soğutucu, evaporatör, soğutma sistemi, enerji tüketimi, sayısal analiz Abstract: The increasing demand on high performance designs forces companies to develop products consuming low energy. Therefore, in this study different cases have been analyzed numerically to enhance the energy performance of the vertical beverage cooler. Internal flow and temperature characteristics of the cooler were obtained for loaded and unloaded conditions by computer software, ANYSY- FLUENT. To enhance the internal temperature distribution of the cooler, a phase change material (PCM) was employed on the evaporator side. The influence of applying PCM on the system performance was investigated. Keywords: Phase change material, cooler, evaporator, cooling system, energy consumption, numerical analisys GİRİŞ Günümüzde artan yaşam standartlarıyla birlikte soğutma teknolojisi artık bir lüks olmanın ötesinde zorunlu bir ihtiyaç olarak ele alınmaktadır. Artan soğutma talebiyle birlikte soğutma cihazlarının elektrik tüketimleri toplam enerji tüketiminde önemli bir yer tutmaya başlamıştır. İstatistiki verilere göre, dünyada 1 milyardan fazla evsel buzdolabı kullanılmaktadır (Marques vd., 2013). Birleşik Devletlerde evsel elektrik tüketiminin %7.2 si soğutma cihazlarından kaynaklanmaktadır (Bansal vd., 2011). Hem ticari hem de evsel uygulamalarda kullanılan soğutma araçlarının artan enerji taleplerini karşılamak için izlenecek en iyi yöntem, yeni enerji kaynakları oluşturmanın yerine mevcut enerji kaynaklarının etkin ve verimli bir şekilde kullanılmasıdır. Ticari ve evsel soğutma cihazlarının performansını arttırmak için araştırmacılar genellikle iki temel çalışma alanı üzerine yoğunlaşmıştır: soğutma hacmi ve soğutma sistemi. Soğutma hacimlerinde kullanılan poliüretan yalıtım tabakası yerine vakumlu yalıtım panellerin (VIP) kullanılmasıyla hacmin ısı kazancı önemli ölçüde azaltılmaktadır. Tao vd., (2000) ev tipi buzdolabı, 1 frigorifik konteyner ve camekanlı soğutucuların farklı yüzeylerine VIP tipi yalıtım uygulayarak ısı kazancı ve enerji verimindeki değişimleri incelemiştir. Elde edilen deneysel sonuçlara göre VIP içeren evsel buzdolabında enerji verimi %25 artarken, frigorifik konteyner ve camekanlı soğutucularda ise ısı kazancı sırasıyla %8 ve %29 azalmaktadır. VIP ve benzeri özel yalıtım malzemeleri ısı kazancını önemli ölçüde düşürmekle birlikte maliyetli olması, seri üretime adaptasyonu sırasında ekstra yatırım gerektirmesi ve zamanla ısıl özelliklerini yitirmesinden dolayı sağladığı performans artışı etkisini kaybetmektedir. Diğer taraftan, soğutma sistemini oluşturan bileşenlerin (kompresör, fan, ısı değiştiricileri vb.) ve sistemde kullanılan soğutucu akışkanın iyileştirilmesiyle buzdolabının performansında artış sağlanabilir. Soğutucu akışkanlar açısından son yıllarda düşük GWP (Global-Warming-Potential, Küresel-Isınma-İndeksi) değerine ve yüksek ısıl performansa sahip akışkanların geliştirilmesi yönünde çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bu bağlamda, geliştirilen dördüncü nesil soğutkanlar arasında CO 2 ve R-1234yf öne çıkmaktadır (Calm, 2008). Kompresör ve fan motorlarının buzdolabının toplam enerji tüketimindeki payları sırasıyla %80 ve %10

2 mertebesindedir. Kompresör enerji verimliliğini arttırmak için günümüzde değişken-kapasitelikompresörler (VCC) ve lineer-kompresörler üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Değişken kapasiteli kompresörün, aç/kapa algoritmasıyla çalışan kompresöre kıyasla %45 daha az enerji tükettiği belirtilmiştir (Bansal vd., 2011). Lee vd. (2008) tarafından geliştirilen lineerkompresörün ise geleneksel pistonlu kompresörlere göre %25 daha verimli olduğu saptanmıştır. Faz değişim malzemeleri ve soğutma uygulamaları Faz değişim malzemeleri (FDM) ısıl enerji depolama sistemlerinde yük ile talep arasındaki dengeyi sağlamak amacıyla veya ısıtma/soğutma uygulamalarında sıcaklık salınımlarını sönümlemek amacıyla kullanılmaktadır (Dincer ve Rosen, 2002). Kullanım alanına göre farklı tipte (organik veya ötektik-karışım vb.) FDM ler bulunmakla birlikte genel olarak FDM lerden beklenen özellikler benzerdir. FDM lerin düşük hacimde yüksek ısı kapasitesine sahip olması, tekrarlı çevrimler boyunca ısıl özelliklerinin değişmemesi, faz ayrımı veya aşırı soğuma gibi olumsuzluklar göstermemesi, tek bir sıcaklıkta faz değiştirmesi ve en önemlisi insan sağlığına olumsuz etkilerinin bulunmaması beklenmektedir. Buzdolabı iç ortam sıcaklığının zamana bağlı salınımını azaltmak ve ürünlerin istenen sıcaklık aralığında daha uzun süreler boyunca tutulmasını sağlamak amacıyla buzdolabı iç hacmine faz değişim malzemesi uygulanmaktadır. Oro vd. (2014) tarafından hazırlanan derleme çalışmada FDM li ısıl enerji depolama yöntemlerinin yaygınlaşmasıyla birlikte soğutma sistemlerinde meydana gelecek iyileştirmeler irdelenmiştir. Buna göre, evsel ve ticari tip buzdolapları/dondurucular, frigorifik konteynerler ve ticari soğutma uygulamalarında FDM kullanımının yaygınlaşmasıyla birlikte sadece Avrupa da CO 2 salınımda %5 ila %22 arasında azalma öngörülürken soğutma sisteminin daha kaliteli işletilebileceği öngörülmüştür. Ahmed vd. (2010) frigorifik konteyner duvarına yerleştirilen FDM nin ısı kazancına etkisini incelemek amacıyla iki adet ölçekli konteyner test düzeneği hazırlamış ve dış ortamda farklı ısıl yükler altında zamana bağlı testler gerçekleştirmiştir. FDM li durumda maksimum anlık ısı kazancında %11 ila %43 arasında azalma meydana gelirken, günlük toplam ısı kazancı değerinde %16 ya varan düşüş gözlenmiştir. Tinti vd. (2014) ise poliüretan içerisine mikro boyutta n- tetradecane entegre ederek şekil-kararlı FDM oluşturmuştur. Farklı oranlarda n-tetradecane içeren FDM ler hazırlayarak FDM katkı oranının ısı kazancı üzerine etkisini deneysel olarak incelemiştir. Azzouz vd. (2008) düşey bir evaporatör arkasına yerleştirilen FDM haznesinin buzdolabı enerji tüketimine ve dolap iç 2 sıcaklığının zamana bağlı değişimine etkilerini deneysel ve sayısal olarak incelemiştir. Farklı hazne boyutları (0.25 ila 0.5 cm) ve FDM erime sıcakları (-9⁰C ila 0⁰C) için tekrarlanan simülasyonlara göre sistem performansında %5 ila %15 arasında değişen oranlarda artış sağlanmıştır. Ayrıca, sisteme 5 mm kalınlığında FDM haznesi eklenmesi durumunda kompresör devreye girmeden buzdolabı içerisindeki ürünlerin 4 ile 8 saat arasında istenen sıcaklıklarda tutulabildiği belirtilmiştir. Bu çalışmanın devamı niteliğinde gerçekleştirilen deneysel çalışmada Azzouz vd. (2009) ötektik karışım ve su içeren farklı kalınlıklardaki FDM haznesinin soğutma performansına etkisini incelemişlerdir. Buna göre, FDM kullanımı sistem performansını (COP) %5-10 arttırmaktadır. Ayrıca kompresörün devre dışı kaldığı periyodu da 9 saate kadar çıkartabilmektedir. Gin vd. (2010) ise iç yüzeylerine FDM panelleri yerleştirdikleri dondurucuyu farklı senaryolar altında deneysel olarak incelemişlerdir. Kapının belirli süre açık kalması, defrost periyodu ve elektrik kesintisi gibi dinamik ısıl yükleri altında FDM li ve FDM siz dondurucular içerisindeki zamana sıcaklık değişimleri ve enerji tüketimleri karşılaştırılmıştır. Enerji tüketimi testlerine göre kapının açık tutulması ve defrost çevrimleri nedeniyle dondurucunun soğutma yükü sırasıyla %17 ve %21 artmaktadır. Dondurucu yüzeylerinde FDM (%19.5 NH 4Cl-su karışımı) kullanılması durumunda ise defrost ve kapının açık kalması periyotlarında oluşan enerji tüketimi değerleri %8 mertebesinde azalmıştır. Oro vd. (2012) tarafından incelenen dikey dondurucunun evaporatörü düşey raflar şeklinde tasarlanmıştır. Bu çalışmada raflar üzerine konumlandırılan hazneler içerisine -18 C faz değişim sıcaklığına sahip Climsel-C18 faz değişim malzemesi yerleştirilmiştir. Elektrik kesintisinin ve kapı açık kalma periyodunun yüklü durumdaki dondurucu iç ortam sıcaklığına ve soğutma sisteminin performansına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Sonuç olarak FDM li durumda dondurucu içerisindeki yük paketlerinin FDM siz duruma göre 4 C ila 6 C daha düşük sıcaklıkta tutulabildiği gözlemlenmiştir. Wang vd., (2007a, 2007b ve 2007c) soğutma çevrimi içerisine yerleştirilen FDM li soğuk depolama tankının sistem performansına etkisini incelemiştir. Wang vd. (2007a ve 2007b) dinamik bir matematiksel model oluşturmuş ve modelin doğruluğunu deneysel bulgularla ortaya koymuştur. Wang vd. (2007c) ise FDM li soğu depolama tankının farkı pozisyonları için (kondenser girişi, evaporatör girişi ve kompresör girişi) sistem performansını incelemiştir. Yapılan bu ilavelerle kızgınlık derecesinin azaltıldığı ve sistem performansının (COP) %8 mertebesinde arttırıldığı gözlenmiştir. Cheng vd. (2011) ve Cheng & Yuan (2013) ev tipi buzdolaplarının kondenserinden atılan ısı transferinin

3 sürekliliğini sağlamak amacıyla, kondenser çevresine şekilce-kararlı FDM yerleştirmiştir. Bu uygulama sayesinde sistem performansında (COP) artış sağlandığı ve buzdolabı iç sıcaklığının zamana göre daha kararlı hale getirildiği belirtilmiştir. Bu çalışmada dikey tip bir içecek soğutucusunun zamana bağlı sıcaklık dağılımı ANSYS-FLUENT paket programıyla sayısal olarak elde edilmiştir. Soğutucunun iç sıcaklık dağılımı, FDM li ve FDM siz iki durum için karşılaştırmalı olarak elde edilmiştir. doğrusal olarak azalmaktadır. T noktasının sıcaklığı aynı zamanda termostatik kontrolcü olarak da kullanılmıştır. T sıcaklığı önceden tanımlanan alt değere ulaştığında kompresör devreden çıkmakta ve evaporatör yüzeyi adyabatik olmaktadır. T sıcaklığının üst değere ulaşmasıyla birlikte kompresör tekrar devreye girmekte ve T sıcaklığına bağlı olarak evaporatör yüzeyine ısı akısı tanımlanmaktadır. Bu çalışmada üst ve alt limit sıcaklıkları sırasıyla 280 K ve 273 K olarak belirlenmiştir. PROBLEMIN TANIMI Bu çalışmada faz değişim malzemelerinin ticari tipte bir içecek soğutucuna uygulanması nümerik olarak incelenmiştir. Faz değişim malzemesi uygulanmış ve uygulanmamış sonuçlar karşılaştırılarak FDM nin kompresör çalışma/durma sürelerine ve iç sıcaklık dağılımlarına olan etkileri gözlenmiştir. İncelenen soğutucu, ticari içecek soğutucu piyasasında soğutma hacmi açısından en çok talep gören modeldir. Soğutucunun kesiti ve indirgenen iki boyutlu matematiksel modeli Şekil 1 de gösterilmektedir. Soğutucunun ön yüzeyinde camlı kapak bulunurken, arka yüzeyin 19 mm önüne plaka tipi (rollbond) evaporatör düşey olarak yerleştirilmiştir. FDM siz durum için bu kısım hava boşluğu olarak bırakılırken FDM li durumda evaporatöre yapışık şekilde 5 mm kalınlığında FDM haznesi bu kısma yerleştirilmiştir. Böylece FDM li çözümlemelerde arka yüzey önündeki boşluk 14 mm ye düşmüştür. Soğuk havanın hacim içerisinde sirkülasyonunu sağlamak amacıyla, evaporatör üzerinde tavana yakın bölgede radyal evaporatör fanı bulunmaktadır. Radyal evaporatör fanı kompresör duruş ve kalkışından bağımsız olarak sürekli devrede olup, soğutma hacmi içerisindeki havayı sürekli şartlandırmaktadır. Soğutucunun genişliği ve yüksekliği sırasıyla W = 0.55 m ve H = 1.64 m olup Şekil 1(b) üzerinde gösterilen boyutlar ise şu şekildedir: W 1 = 0.33 m, W 2 = 0.22 m, H 1 = 1.54 m ve H 2 = 0.1 m. Sisteme tanımlanan basınç artımı ve evaporatör yükü değerleri kararlı durum analizleri neticesinde elde edilmiştir. Fan için basınç artımı değerinin tanımlanması için basınç artımı ΔP = 20 ila 75 Pa arasında değiştirilerek parametrik analizler gerçekleştirilmiş ve elde edilen sayısal sonuçlar deneysel hız ölçümleriyle karşılaştırılmıştır. Buna göre ΔP = 50 Pa için fan emişinde ve evaporatör üzerinde deneysel ölçümlerle benzer sonuçlar elde edilebildiği tespit edilmiştir. Evaporatör soğutma yükü (q evap(t)) ise emiş menfezi ortasına yerleştirilen bir sıcaklık ölçüm noktasının (T noktası) fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Buna göre iç ortam sıcaklığının düşmesiyle birlikte soğutma yükü de 3 (a) Soğutucu kesiti (b) 2 Boyutlu matematiksel model Şekil 1. Soğutucu geometrisi ve Matematiksel model Soğutucu çevresi dış ortam sıcaklığı 298 K, kompresör bölmesinin bulunduğu kısmın yüzey sıcaklığı 313 K, kondenserin bulunduğu arka duvar ise 303 K olarak sabit sıcaklıkta tanımlanmıştır.

4 Yönetici Denklemler ve Çözüm Yöntemi Soğutucu içerisindeki zamana bağlı iki boyutlu akışın sayısal olarak modellenmesi için yönetici denklemlerde aşağıdaki indirgemeler yapılmıştır, Hava newtonyen, sıkıştırılamaz ve ısıl özellikleri sabittir, Akış türbülanslıdır, Viskoz ısınma ve ışınım ihmal edilebilir, Sıralanan bu basitleştirmeler göz önüne alındığında kütle, momentum ve enerji korunumdan elde edilen Navier- Stokes denklemleri aşağıdaki formlara indirgenebilir, Kütle u x y v 0 x-momentum p u uu vu t x y x 2 2 u u t 2 2 x y y-momentum p v uv vv t x y y 2 2 v v t 2 2 x y Enerji T ct uct vct k t x y x x T T c p t k y y xi xi t burada hız, basınç ve sıcaklık değişkenleri zaman ortalamalı olarak tanımlanmıştır. Türbülanslı akıştan kaynaklanan ilave Reynolds gerilmelerinin modellenmesi yerine girdap-vizkosite yaklaşımı kullanılmıştır. Bu yaklaşımda türbülans etkileri korunum denklemlerine türbülans viskozitesi terimi olarak ilave edilmektedir: t C 2 k (1) (2) (3) (4) (5) Türbülans kinetik enerjisi (k) ve yayınım hızı (ε) terimlerinin belirlenmesi için realizable k-epsilon modeli uygulanmıştır. Realizable k-epsilon yönteminde yukarıda verilen transport denklemlerinin yanı sıra 4 türbülans kinetik enerjisi ve yayınım hızının belirlenmesi için aşağıdaki diferansiyel denklemler çözülmektedir, Kinetik enerji t k k ku j t x j x j k x j G G Y S k b M K Viskoz yayınım t u j C1S t x j x j x j 2 C C C G S k v k b Faz değişim etkisinin göz önüne alındığı modelde model içerisinde FDM ye ait bir hacim oluşturulmuştur. FDM içerisindeki doğal taşınım etkileri ihmal edilerek hazne iletim etkin faz değişimi modellenmiştir. FDM nin katısıvı faz değişimi gizli ısısının enerji denklemine dahil edilmesi için etkin ısı kapasitesi yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntemde faz değişiminin tek bir sıcaklık yerine T m - δt m ve T m + δt m gibi bir sıcaklık aralığında gerçekleştirdiği kabul edilmektedir. Bu ara bölge için FDM nin ısı kapasitesi aşağıdaki şekilde tanımlanmaktadır, c m hsf cs cl (7) 2T 2 m burada h sf faz değişim gizli ısısı, c s ve c l ise sırasıyla FDM nin katı ve sıvı fazlarına ait ısı kapasitesidir. FDM nin ısıl özeliklerinin katı ve sıvı fazlar için farklı ancak sıcaklığa bağlı değişmediği kabul edilmiştir. Eşitlik (1) ila (6) arasında verilen denklemler ANSYS- FLUENT paket programında kontrol hacimleri yaklaşımıyla çözümlenmiştir. Hesaplama bölgesi 250 bin kontrol hacmine ayrılmış ve katı yüzeyler üzerinde kontrol hacmi yoğunluğu arttırılmıştır. Basınç ve momentum denklemlerinin çözümünde SIMPLE çözüm algoritması uygulanmıştır. Taşınım terimlerinin ayrıştırılması için QUICK ayrıştırma şeması kullanılmıştır. Zaman adımı olarak Δt = 2 s seçilmiş ve her bir zaman adımı için tüm transport denklemlerinin yakınsama kriteri 10-7 olarak tanımlanmıştır. BULGULAR Sayısal analizler sonucu elde edilen bulgular bu kısımda hem akış, hem de ısıl olarak değerlendirilmiştir. Soğutucu fanının kompresörden bağımsız olarak sürekli açık olması ve sistem içerisindeki doğal taşınımın ihmal (5) (6)

5 edilmesinden dolayı, soğutucu içerisindeki akış dağılımı zamana bağlı değişmemektedir. Şekil 2 de FDM li ve FDM siz soğutucu geometrileri için akış dağılımları sunulmaktadır. Akım fonksiyonlarının genel yapılarının birbirine benzediği görülmektedir. Fan menfezinin bulunduğu kısımda ani daralmadan dolayı akışta ayrılma meydana gelmektedir. Bu bölgede ana akışın karşıt yönünde iki küçük sirkülasyon hücresinin oluştuğu görülmektedir. Kompresör basamağının akış ayrılmasına sebep olduğu ve basamak içerisinde ana akışa ters yönde sirkülasyon hücreleri oluşmaktadır. Akış yapıları birbirine benzemekle birlikte büyüklük olarak farklılık gözlenmektedir. FDM li soğutucunun en büyük akım fonksiyonu değeri FDM size oranla yaklaşık olarak %55 daha düşüktür. (a) FDM siz soğutucu (b) FDM li soğutucu Şekil 3. Farklı yükseklikler için soğutucu genişliği boyunca hız değişimi (a) FDM siz (b) FDM li Şekil 2. Soğutucu içi hava dağılımı Şekil 3 te ise düşey yönde seçilen dört hat için genişlik boyunca hızın düşey bileşenin değişimi karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Hız dağılımları benzer değişim göstermekle birlikte hız büyüklüklerinin %50 mertebesinde azaldığı görülmektedir. Evaporatör arkasına yerleştirilen 5 mm kalınlığındaki FDM haznesi akış alanını daraltmakta ve sistemdeki basınç düşümünü arttırmaktadır. Her iki soğutucu geometrisi için aynı basınç artımı tanımlandığından sistemdeki hız değerleri belirgin bir şekilde düşmektedir. FDM li ve FDM siz soğutucular için kompresör açma/kapama kontrolü Şekil 1 üzerinde gösterilen T noktasının sıcaklığı üzerinden yapılmıştır. T noktasının sıcaklığının 273 K değerine düşmesiyle kompresör kapanmakta, bu sıcaklığın 280 K değerine yükselmesiyle birlikte kompresör tekrar devreye girmektedir. Şekil 4 te her iki soğutucu tipi için T noktası ve evaporatör yüzey sıcaklığının zamana göre değişimleri sunulmaktadır. FDM siz durum için soğutucu iç sıcaklığının yaklaşık olarak 19 dakikada istenen sıcaklığa düştüğü ve üçer dakika aralıkla kompresörün devreye girdiği görülmektedir. Diğer taraftan FDM li durum için ise soğutucu iç sıcaklığının istenen değere düşmesi için 142 dakika geçmektedir. Başlangıç için iki soğutucu arasında oluşan bu farkın sebebi FDM li soğutucu içerisindeki sudan kaynaklı ilave soğutma yüküdür. Bu yük sayesinde kompresörün devreye girme sıklığı önemli ölçüde azaltılmıştır. FDM siz soğutucuya göre FDM bulunan soğutucunun kompresör çalışma sıklığı 1/40 oranında azalmıştır. 5

6 (a) Genel görünüm Şekil 5. FDM siz soğutucu için T noktası ve evaporatör sıcaklıklarının zamanla değişimi (b) FDM li durum için bir periyot Şekil 4. T noktası ve evaporatör sıcaklıklarının zamanla değişimi FDM siz soğutucunun sıcaklık-zaman grafiği Şekil 5 te daha detaylı sunulmuştur. Isınma/soğuma periyodu olarak isimlendirdiğimiz bir çevrim içinde soğutucu iç sıcaklığı üst limit değerine doğru ısınmakta ve set sıcaklığına ulaştığında kompresör devreye girerek soğutucu iç sıcaklığı alt limit değerine doğru hızla soğutulmaktadır. Şekil 5 üzerinde 1-5 olarak numaralandırılan zamanlar için soğutucu iç sıcaklık dağılımları Şekil 6 da bir arada verilmiştir. İlk bir dakikalık sürede hızlı bir şekilde artan evaporatör yüzey sıcaklığının daha sonra iç sıcaklık değeriyle aynı davranışı gösterdiği görülmektedir. İç sıcaklık üstel bir değişimle üst limit değere ulaşmaktadır. Kompresörün devre dışı kaldığı ısınma döneminde de fanın devrede olmasından dolayı iç sıcaklığın hemen hemen homojen bir şekilde arttığı gözlenmektedir. Kompresörün devreye girmesiyle birlikte evaporatör yüzeyi üzerinde soğuyan havanın iç ortam sıcaklığını düşürdüğü ve bir dakikadan kısa bir sürede alt limit değerine ulaştığı görülmektedir. Kompresör basamağındaki ters akıştan dolayı bu kısımda sıcak bir bölge oluşmaktadır. FDM li soğutucunun sıcaklık-zaman grafiği ise Şekil 7 de sunulmuştur. FDM siz duruma göre ısınma periyodunun çok fazla uzun olduğu görülmektedir. Soğutucu iç sıcaklığının tanımlanan üst limit değerine ulaşması yaklaşık olarak 85 dakika sürmektedir. Soğutucu içerisindeki ısıl yükün boş duruma göre daha fazla olmasından dolayı kompresör açık kalma periyodu da 20 dakikaya ulaşmaktadır. FDM siz soğutucudan farklı olarak evaporatör yüzey sıcaklığı hem ısınma hem de soğuma dönemlerinde iç ortam sıcaklığından yaklaşık 2 C daha düşüktür. FDM den kaynaklı bu etkiden dolayı iç ortam daha geç ısınmakta (veya soğumaktadır). Şekil 7 üzerinde 1-5 olarak numaralandırılan zamanlar için soğutucu iç sıcaklık dağılımları Şekil 8 de bir arada verilmiştir. Kompresörün devre dışı kaldığı ısınma döneminde de fanın devrede olmasından dolayı evaporatör arka yüzeyine yerleştirilen faz değişim malzemesi iç ortamı uzun bir süre boyunca düşük sıcaklıkta tutabilmektedir. FDM siz durumdan farklı olarak bu sistem için soğumanın homojen olmadığı söylenebilir. FDM nin soğutma etkisiyle evaporatör çevresi ve akış alanında düşük sıcaklık bölgesi oluşmaktadır. Evaporatör üzerinden geçen hava kompresör basamağına çarparak saat yönünde büyük bir dolaşım oluşturmaktadır (Şekil 2). Burada dış bölgenin hızı daha yüksek ve orta alandaki akış hızı sıfıra yakın olduğundan (Şekil 3) evaporatör üzerinden taşınan soğuk hava iç ortamda halkasal bir soğuk bölge oluşturmaktadır. Soğutucunun orta kısımlarının sıcaklığının düşmesi taşınımdan ziyade iletimle oluşmaktadır. 6

7 (1) t = dk F (2) t = dk Şekil 7. FDM li soğutucu için T noktası ve evaporatör sıcaklıklarının zamanla değişimi (3) t = dk (4) t = dk (1) t = dk (2) t = 500 dk (5) t = dk Şekil 6. FDM siz soğutucu sıcaklık dağılımları 7 (3) t = dk (4) t = dk

8 çalışma süresi 7,2 saat olarak bulunur. FDM li durumda ise bu oran yaklaşık %20dir ve 24 saate oranladığında 4,8 saattir. Yani FDM li durumda kompresör çalışma süresi ve enerji tüketim değeri %67 oranında azalmıştır. SONUÇLAR (5) t = dk Şekil 8. FDM li soğutucu sıcaklık dağılımları Bu çalışmada ticari tip bir soğutucunun kompresör çalışma/durma süreleri ve iç sıcaklık dağılımı FDM li ve FDM siz durumda nümerik olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki şekilde sıralanabilir. Özdeş fan kullanılan her iki soğutucuya ait hız dağılımları benzerlik göstermekle beraber, hız büyüklükleri arasında %50 mertebesinde bir fark elde edilmiştir. FDM li soğutucunın hız büyüklükleri FDM size oranla %50 daha küçüktür. Bu durum evaporatörün arkasında bulunan FDM haznesinin sebep olduğu ekstra basınç düşümünden kaynaklanmaktadır. Kompresör çalışma ve durması ile oluşan çevrim FDM siz soğutucuda 3 dakikada tamamlanırken FDM li soğutucuda faz değişim malzemesinin gizli ısısı etkisiyle 110 dakikada tamamlanmaktadır. Ayrıca FDM li soğutucuda hava hızının düşmesi taşınımla olan ısı geçiş hızının da azalmasını tetikliyor olabilir. FDM li durum için fan basınç artımının yükseltilmesi ısı transferini artırıcı bir etki sağlayabilir. Çevrim sıklığının azalması ile birlikte kompresörün ilk kalkışta şebekeden çekmiş olduğu yüksek değerlerdeki güç&akım sıklığıda azaldığından enerji tüketiminde belirgin bir düşüş olması beklenmektedir. FDM siz durumda kompresör çalışma süresi/çevrim süresi oranı yaklaşık %30 olmaktadır. 24 saate oranlandığında kompresör 8 TEŞEKKÜR Kompresörün kapalı olduğu durumda FDM siz soğutucuda görülen homejen ısınma FDM li soğutucuda yerini bölgesel sıcaklık farklarına bırakmıştır. Bunun sebebi faz değişim gizli ısısı etkisiyle evaporatör sıcaklığının düşük değerde kalmasıdır. Soğutucu hacminin orta kısmındaki durgun hava ve geometride bulunan kompresör bölmesindeki basamaklı yapı hacimde homojen bir ısıl davranış elde edilmesini engellemektedir. Bu çalışma T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı tarafından yürütülen 0780.STZ.2014 kodlu proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Bu proje Dokuz Eylül Üniverstesi Makina Mühendisliği Bölümü ve Klimasan Klima Sanayi ve Ticaret A.Ş ortak çalışmasıdır. KAYNAKLAR Ahmed, M., Meade, O., & Medina, M. A. (2010). Reducing heat transfer across the insulated walls of refrigerated truck trailers by the application of phase change materials. Energy Conversion and Management, 51(3), Azzouz, K., Leducq, D., & Gobin, D. (2008). Performance enhancement of a household refrigerator by addition of latent heat storage. International Journal of Refrigeration, 31(5), Azzouz, K., Leducq, D., & Gobin, D. (2009). Enhancing the performance of household refrigerators with latent heat storage: an experimental investigation.international Journal of Refrigeration, 32(7), Bansal, P., Vineyard, E., & Abdelaziz, O. (2011). Advances in household appliances-a review. Applied Thermal Engineering, 31(17), Calm, J.M. (2008). The next generation of refrigerants Historical review, considerations, and outlook, International Journal of Refrigeration, 31 (7), Cheng, W. L., Mei, B. J., Liu, Y. N., Huang, Y. H., & Yuan, X. D. (2011). A novel household refrigerator with shape-stabilized PCM (Phase Change Material) heat storage condensers: An experimental investigation. Energy, 36(10),

9 Cheng, W. L., & Yuan, X. D. (2013). Numerical analysis of a novel household refrigerator with shape-stabilized PCM (phase change material) heat storage condensers. Energy, 59, Dincer, I., & Rosen, M. (2002). Thermal energy storage: systems and applications. John Wiley & Sons. Eberhardt, H.F. (2007). Vacuum Insulation Panels (VIP) in energy efficient cooling appliances for improving the environment of our children s world, 8th International Vacuum Insulation Symposium 2007, 1-9. Gin, B., Farid, M. M., & Bansal, P. K. (2010). Effect of door opening and defrost cycle on a freezer with phase change panels. Energy Conversion and Management, 51(12), Lee H., Ki S., & Rhee W. (2008). The innovative green technology for refrigerators development of innovative linear compressor, International Compressor Engineering Conference at Purdue, July Marques C., Davies G., Maidment G., Evans J., Wood I. (2013). The use of phase change materials in domestic refrigerator applications, The Institute of Refrigeration. Oró, E., Miró, L., Farid, M. M., & Cabeza L. F. (2012). Improving thermal performance of freezers using phase change materials. International Journal of Refrigeration, 35 (4), Tao, W. H., Chang, C. C., & Lin, J. Y. (2000). An energyefficiency, performance study of, vacuum insulation panels. Journal of cellular plastics, 36(6), Tinti, A., Tarzia, A., Passaro, A., & Angiuli, R. (2014). Thermographic analysis of polyurethane foams integrated with phase change materials designed for dynamic thermal insulation in refrigerated transport. Applied Thermal Engineering, 70(1), Wang, F., Maidment, G., Missenden, J., & Tozer, R. (2007a). The novel use of phase change materials in refrigeration plant. Part 1: Experimental investigation.applied Thermal Engineering, 27(17), Wang, F., Maidment, G., Missenden, J., & Tozer, R. (2007b). The novel use of phase change materials in refrigeration plant. Part 2: Dynamic simulation model for the combined system. Applied Thermal Engineering, 27(17), Wang, F., Maidment, G., Missenden, J., & Tozer, R. (2007c). The novel use of phase change materials in refrigeration plant. Part 3: PCM for control and energy savings. Applied Thermal Engineering, 27(17),